DE102023106086A1

DE102023106086A1 - Elektrisches kontaktelement für einen elektrischen steckverbinder mit oberflächentextur und verfahren zur oberflächenbehandlung eines elektrischen kontaktelementes

Info

Publication number: DE102023106086A1
Application number: DE102023106086.4A
Authority: DE
Inventors: Felix Greiner; Michael Leidner; Stefan Thoss; Esteban Sanchez; Martin VIERT; Matthias CASSEL; Helge Schmidt; Haythem KHILA
Original assignee: TE Connectivity Solutions GmbH
Current assignee: TE Connectivity Solutions GmbH
Priority date: 2023-03-10
Filing date: 2023-03-10
Publication date: 2024-09-12
Also published as: CN118630499A; JP3252850U; EP4429033A1; US20240305028A1; JP2024128957A; KR20240138488A

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektrisch leitendes Kontaktelement (1) für einen elektrischen Steckverbinder (3), welches einen Verbindungsbereich (6) und einen Kontaktbereich (8) aufweist. Dabei umfasst der Kontaktbereich (8) einen Hauptbereich (2), einen Endbereich (4) und eine Kontaktoberfläche (5). Die Kontaktoberfläche (5) ist an mindestens einer Seitenfläche (50, 51, 52, 53) des Hauptbereichs (2) und an mindestens einer Seitenfläche (50, 51, 52, 53) des Endbereichs (4) angeordnet. Ausschließlich unter der Kontaktoberfläche (5) des Endbereichs (4) sind in einer Mikrostruktur (11) mit einem Hilfsstoff (9) gefüllte Kavernen (7) angeordnet; und im Bereich der Mikrostruktur (11) weist die Kontaktoberfläche (5) eine Oberflächentextur (31) auf. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Einschließen eines Hilfsstoffes (9) unter einer Kontaktoberfläche (5) des Endbereichs (4) eines Kontaktbereichs (8) eines elektrisch leitenden Kontaktelementes (1) für einen elektrischen Steckverbinder (3).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektrisch leitendes Kontaktelement für einen elektrischen Steckverbinder mit einer Kontaktoberfläche, sowie auf einen elektrischen Steckverbinder, der ein solches Kontaktelement umfasst.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Einschließen eines Hilfsstoffes unter einer Kontaktoberfläche eines Endbereichs eines Kontaktbereichs eines elektrisch leitenden Kontaktelementes für einen elektrischen Steckverbinder.
Elektrische Steckverbinder und deren Kontaktelemente sind im Stand der Technik in zahlreichen Ausführungen bekannt. Elektrische Steckverbinder sind dazu vorgesehen, mit einem geeigneten Gegensteckverbinder zusammengesteckt zu werden, um eine elektrische Verbindung herzustellen. Elektrische Steckverbinder finden im Allgemeinen entweder zur Signalübertragung oder zur Leistungsübertragung Anwendung und können definiert werden als ein elektromechanisches System, das eine trennbare Schnittstelle zwischen zwei elektronischen Subsystemen bereitstellt. Dazu weisen elektrische Steckverbinder in der Regel elektrisch leitende Kontaktelemente auf, die beim Zusammenstecken des Steckverbinders in Kontakt mit einem Kontaktelement des Gegensteckverbinder kommen. Häufig sind die Kontaktelemente des einen Steckverbinder als Kontaktstifte und die des Gegenstückes als Federkontakte ausgebildet. Im zusammengesteckten Zustand von Steckverbinder und Gegensteckverbinder üben die Federkontakte elastische Federkräfte auf die Kontaktstifte aus, um eine zuverlässige, elektrisch leitende Verbindung zu gewährleisten.
Elektrische Steckverbinder dienen beispielsweise in Kraftfahrzeugen zur Energieübertragung und Vernetzung elektrischer und elektronischer Systeme. In Kraftfahrzeugen sind Steckverbinder starken Temperaturschwankungen, Vibrationen sowie korrosiven Medien ausgesetzt. Eine Erhöhung der Einsatztemperaturen resultiert insbesondere bei den weit verbreiteten verzinnten Kontaktelementen auf Kupferbasis in einem verstärkten Verschleiß. Den gravierendsten Verschleißmechanismus stellt dabei die sogenannte Fretting-Korrosion dar. Dieser durch Mikrovibrationen verursachte Schwingungsverschleiß führt zur Bildung isolierender Oxidschichten in Kontaktbereichen und damit zum Funktionsausfall von Steckverbindern.
Insbesondere unedle Kontaktoberflächen, z. B. mit Zinn, Nickel oder deren Legierungen neigen bei kleinen Relativbewegungen zur Reibkorrosion (Fretting oder Fressen). Weiterhin sind bei hochpoligen Steckverbindern die Steckkräfte oft außerhalb der von den Kunden geforderten Werte. Bei edlen Kontaktoberflächen, z. B. auf Edelmetallbasis, stellt die Neigung zur Kaltverschweißung ein bekanntes Problem dar.
Neben einer hohen Verschleißbeständigkeit werden niedrige Steck- und Ziehkräfte gefordert, um die Montage und Wartung von Steckverbindern zu erleichtern.
Zudem findet während des Zusammensteckens eines Steckverbinders mit einem Gegensteckverbinder ein teilweiser Abrieb an der Kontaktoberfläche eines Kontaktelementes statt. Dieser durch Abrieb bedingte Verschleiß limitiert die Steckhäufigkeit von Steckverbindern und reduziert somit deren Betriebslaufzeiten.
Um die Steckkraft zu optimieren wird bei den Steckverbindern im Stand der Technik eine Mikrostruktur unter der Kontaktoberfläche des Kontaktelements ausgebildet und ein Hilfsstoff wird in dieser Mikrostruktur eingeschlossen. Beim Zusammenstecken des Steckverbinders mit einem Gegensteckverbinder bricht die Kontaktoberfläche leicht auf, und der Hilfsstoff tritt heraus. Dabei ist im Stand der Technik die gesamte Kontaktoberfläche des Kontaktelements des Steckverbinders strukturiert. Durch das Austreten des Hilfsstoffes wird nicht nur eine Reduktion der Steckkraft erreicht, sondern der Hilfsstoff, der nun auf der Kontaktoberfläche haftet, kann auch zu einer verringerten elektrischen Leitfähigkeit und somit zu einem instabileren elektrischen Kontakt führen. Zudem ist es bei der Herstellung der Kontaktelemente und insbesondere beim Verfahren zur Ausbildung der Mikrostruktur mittels Laser nur möglich die dem Laser zugewandte Seite zu strukturieren. Dies kann je nach Steckverbindertyp nicht die optimale Steckkraft reduzierende Seite sein.
Da das Strukturierungsverfahren mittels Laser ein automatisiertes Verfahren ist, werden mehrere Kontaktelemente im Abstand von einigen Millimetern an einer Trägerschiene angeordnet und nacheinander mittels Laser strukturiert. Durch diese Anordnung auf den Trägerschienen ist es nicht möglich die einem benachbarten Kontaktelemente zugewandten Seiten zu bestrahlen, da die Laserstrahlen dort nicht hinkommen.
Demnach kann nur die dem Laser zugewandte Seite bestrahlt und somit strukturiert werden, was zu einer ungenügenden Reduktion der Steckkraft führen kann.
Es besteht daher ein Bedarf sowohl für ein verbessertes Kontaktelement für einen Steckverbinder, welches die Steckkraft bei konstanter und langlebiger elektrischer Performanz minimiert, als auch für ein Verfahren, welches die Strukturierung jeder beliebigen Seite des Kontaktelements ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Dabei umfasst die Erfindung die Idee, dass für eine geringere Steckkraft nicht die gesamte Kontaktoberfläche eines Kontaktelements strukturiert werden muss. Die höchste Steckkraft muss an dem vordersten Teilbereich eines Kontaktelements überwunden werden, während der Steckkraftbeitrag entlang der Länge des Kontaktelements geringer wird. Dadurch ist es ausreichend nur einen Teilbereich des Kontaktelements zu strukturieren.
Insbesondere umfasst die vorliegende Erfindung ein elektrisches Kontaktelement, welches einen Verbindungsbereich und einen Kontaktbereich aufweist. Dabei umfasst der Kontaktbereich einen Hauptbereich, einen Endbereich und eine Kontaktoberfläche zum elektrischen Kontaktieren mit einem Gegenkontaktelement eines Gegensteckverbinders. Die Kontaktoberfläche ist an mindestens einer Seite des Hauptbereichs und an mindestens einer Seite des Endbereichs angeordnet und ausschließlich unter der Kontaktoberfläche des Endbereichs sind in einer Mikrostruktur mit einem Hilfsstoff gefüllte Kavernen angeordnet. Zudem weist die Kontaktoberfläche abschnittsweise im Bereich der Mikrostruktur eine Oberflächentextur auf.
Durch die erfindungsgemäße Lösung werden die Hilfsstoffe fest im Kontaktelement eingebettet, da sie in Kavernen gefüllt sind, die in einer Oberflächentextur unter der Kontaktoberfläche angeordnet sind. Dadurch wird vermieden, dass die Hilfsstoffe negativen Effekten, z. B. Verharzungen unterliegen. Ein unerwünschter Verlust der Hilfsstoffe wird durch ihre feste Einbettung ausgeschlossen. Neben flüssigen Hilfsstoffen können auf diese Weise auch feste Hilfsstoffe in die Oberflächentextur der Kavernen eingeschlossen werden. Zudem wird durch die Anordnung der Mikrostruktur in dem Bereich, in dem die Steckkraft am höchsten ist, aber wo kein elektrischer Kontakt mit einem Gegensteckverbinder hergestellt wird, ermöglicht, dass der ausgetretene Hilfsstoff nicht die elektrische Performanz beeinflusst.
Unter einem Hilfsstoff, auch Additiv genannt, sind Stoffe zu verstehen, die in geringen Mengen zugesetzt werden, um bestimmte Eigenschaften zu erreichen oder zu verbessern.
Unter einer Kaverne ist ein künstlich geschaffener Hohlraum unter der Oberfläche zu verstehen. Die Anordnung der Kavernen unter der Kontaktoberfläche bedeutet, dass die Kavernen keinen Ausgang an der Kontaktoberfläche aufweisen bzw. allenfalls einen derart eng bemessenen Auslass, dass in die Kavernen gefüllter Hilfsstoff nicht ohne Schaffung eines Durchbruchs von der Kontaktoberfläche in die Kaverne erreicht werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung umfasst die Oberflächentextur Erhebungen und Vertiefungen. Die Anordnung der Erhebungen und Vertiefungen führt dazu, dass die Oberflächentextur ein vorgegebenes Muster aus geometrischen Elementen aufweist.
Unter texturierten Oberflächen bzw. einer Oberflächentextur sind Oberflächen mit einem deterministischen Muster aus geometrischen Elementen zu verstehen. Die Elemente können ein hohes Verhältnis aus der Tiefe bzw. Höhe einer Struktur zu ihrer lateralen Ausdehnung aufweisen. Texturierte Oberflächen können eine Periodizität in mindestens einer Richtung aufweisen. Beispiele für Texturen sind Erhebungen aus bzw. Vertiefungen in der Kontaktoberfläche mit kreisförmigen, elliptischen, viereckigen, linienartigen, V-förmigen Querschnitten. Eine Oberflächentextur bzw. texturierte Oberfläche reduziert die Auflagefläche zwischen der Kontaktoberfläche des Kontaktelementes und einer Kontaktoberfläche des Gegensteckverbinders, wenn Steckverbinder und Gegensteckverbinder zusammengesteckt werden. Dadurch verringern sich zwischen den Kontaktoberflächen wirkende Reibungskräfte, was vorteilhafter Weise mit einer Reduzierung der benötigten Steckkräfte einhergeht. Zudem erhöhen sich die Berührungspunkte zwischen den Kontaktoberflächen, so dass eine texturierte Oberfläche den elektrischen Übergangswiderstand zwischen Kontaktoberfläche des Steckverbinders zur Kontaktoberfläche des Gegensteckverbinders herabsetzt. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Abrieb der Kontaktoberfläche durch die Texturierung reduziert wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung bildet die Mikrostruktur eine zumindest abschnittsweise periodische Struktur. Derartige Strukturen sind einfach herzustellen und haben den Vorteil reproduzierbarer Eigenschaften. Die periodische Struktur kann beispielsweise ein Linienmuster, Punktmuster, Wabenmuster, Kreuzmuster oder dergleichen bilden.
Unter einer Mikrostruktur ist eine Feinstruktur im Mikrometerbereich zu verstehen. Dabei handelt es sich um eine im Wesentlichen regelmäßige Anordnung bestimmter Elemente, hier der Kavernen. Die räumlichen Abmessungen in den Kavernen liegen bevorzugt im Bereich von 0,1 - 50 µm.
Die Mikrostruktur kann sich beispielsweise parallel zur Kontaktoberfläche erstrecken und oberflächennahe angeordnet sein. Dadurch wird gewährleistet, dass beim Abrieb Durchbrüche von der Kontaktoberfläche bis in die Kavernen der Mikrostruktur erzeugt werden, so dass die Hilfsstoffe aus den Kavernen an die Kontaktoberfläche austreten und die dort die erwünschten positiven Effekte erzielen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung erhebt sich ein geometrisches Element der Oberflächentextur jeweils über einer Kaverne der Mikrostruktur. Bei dieser Ausführungsform kann die Kontaktoberfläche mit Noppen texturiert sein, in welchen Noppen mit Hilfsmitteln gefüllte Kavernen angeordnet sind. Auf diese Weise kann man die Vorteile einer texturierten Kontaktoberfläche und einer Kavernenmikrostruktur mit Hilfsstoffen unter der Kontaktoberfläche besonders einfach und platzsparend realisieren. Es ist selbstverständlich auch möglich, die Oberflächentextur und die Mikrostruktur der Kavernen alternierend, also versetzt zueinander anzuordnen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung verjüngen sich mindestens zwei Seitenflächen des Endbereichs des Kontaktbereichs in Steckrichtung des Kontaktelements entlang einer Längsachse L. Dabei weisen vorteilhafterweise die mindestens zwei sich verjüngenden Seitenflächen des Endbereichs jeweils zwei zusammenlaufende Kantenkonturen auf, die jeweils derart zusammenlaufen, dass jede Kantenkontur zumindest abschnittsweise dem Verlauf eines kubischen Funktionsgraphen folgt, wobei der Verlauf des kubischen Funktionsgraphen abhängig vom Verlauf der Längsachse L ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung folgt der kubische Funktionsgraph der Gleichung $y = {(1 - {(x - x_{o})}^{3})}^{*} \frac{d}{2}$
mit x₀ = Gesamtlänge des Hauptbereichs und d = Nenndicke des Hauptbereichs und wobei x dem Verlauf der Längsachse L folgt.
Der Hauptanteil der Steckkraft beim Zusammenstecken des Steckverbinders mit einem Gegensteckverbinder muss am Endbereich des Kontaktbereichs des Kontaktelements aufgebracht werden. Dieser Endbereich muss die Federkontakte des Gegenkontaktelements auseinander drücken. Dadurch sind eine optimierte Form und eine verringerte Steckkraft in diesem Bereich von besonderer Bedeutung. Durch die vorteilhafte Ausgestaltung des Endbereichs wird die Steckkraft zusätzlich verringert und das Kontaktelement ist zudem unempfindlich gegenüber der Geometrie des Gegenkontaktelements.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann der Hilfsstoff ausgewählt sein aus der Gruppe von Antioxidantien, Korrosionsschutzmitteln, Schmierstoffen und Säuren. Das Hilfsmittel kann ein festes oder flüssiges Hilfsmittel sein, beispielsweise ein Öl, Fett, eine Paste oder ein Festkörperschmierstoff wie Graphit, Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT), MoS₂, AgS₂ oder ein Gemisch dieser Stoffe.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein erfindungsgemäßes Kontaktelement hergestellt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Einschließen eines Hilfsstoffes unter der Kontaktoberfläche eines Endbereichs eines Kontaktbereichs eines elektrisch leitenden Kontaktelements für einen elektrischen Steckverbinder bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfasst: Aufbringen des Hilfsstoffes auf die Kontaktoberfläche des Endbereichs, Ausbilden einer Mikrostruktur an der Kontaktoberfläche des Endbereichs, Einschließen des Hilfsstoffes in den Kavernen der Mikrostruktur unter der Kontaktoberfläche des Endbereichs. Dabei wird an der Kontaktoberfläche des Endbereichs eine Oberflächentextur in Form eines vorgeschriebenen Musters aus geometrischen Elementen ausgebildet und die Kontaktoberfläche des Endbereichs wird mit Laserstrahlung behandelt, um die Mikrostruktur auszubilden. Dabei trifft die Laserstrahlung quer zur Kontaktoberfläche des Endbereichs auf und trifft nicht senkrecht zur Längsachse L des Kontaktelements auf.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens trifft die Laserstrahlung unter einem Winkel β bezogen auf die Längsachse L des Kontaktelements auf die Kontaktoberfläche des Endbereichs auf, wobei dieser Winkel β in einem Bereich zwischen 0° < β < 90° liegt.
Durch das Ausbilden der Oberflächentextur und der Mikrostruktur am Endbereich des Kontaktelementes kann vorteilhafterweise jede beliebige Seitenfläche des Kontaktelements mittels Laserstrahlung behandelt werden. Die Laserstrahlen können auch Seitenflächen des Kontaktelements behandeln, welche bei der Anordnung auf Trägerschienen dem benachbarten Kontaktelement zugewandt sind.
Durch die zusätzlich vorteilhafte Form des Endbereichs wird zudem ermöglicht, dass obwohl die Laserstrahlen nicht senkrecht zur Längsachse L auf das Kontaktelement auftreffen, die Laserstrahlen trotzdem quer zur der zu bestrahlenden Oberfläche des Endbereichs auftreffen und somit eine gleichmäßige Bestrahlung ermöglicht wird. Vorteilhafter Weise lassen sich durch derartige Bestrahlungen in kürzester Zeit großflächig Mikrostrukturen in präziser und reproduzierbarer Weise ausbilden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird die Kontaktoberfläche mit einem Interferenzmuster aus Laserstrahlung behandelt, um die Mikrostruktur auszubilden. Dabei produzieren zwei oder mehr sich überlagernde, vorzugsweise kohärente und linear polarisierende Laserstrahlen ein gezielt einstellbares Interferenzmuster. Innerhalb des Interferenzmusters verteilt sich die Intensität der Laserstrahlung. Bei positiver Interferenz verstärkt sie sich und führt zu besonders heißen Bereichen, an welchen die Kontaktoberfläche aufschmilzt. Im Intensitätsminimum hingegen ist die Kontaktoberfläche sehr viel kälter, so dass die Kontaktoberfläche nicht aufschmilzt bzw. an dieser Stelle befindlicher Hilfsstoff vorhanden bleibt, während er in Regionen positiver Interferenz verdampft. Zudem kommt es aufgrund der hohen Temperaturgradienten zwischen Minimaltemperatur (im Bereich negativer Interferenz) und Maximaltemperatur (im Bereich positiver Interferenz) zur Konvektion schmelzflüssigen Materials der Kontaktoberfläche und der Entstehung einer Textur. Die Textur entsteht dadurch, dass Material der Kontaktoberfläche aus Bereichen eines Temperaturmaximums gerichtet zu Bereichen eines Temperaturminimums transportiert wird.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann zunächst der Hilfsstoff auf die Kontaktoberfläche aufgebracht und anschließend die Mikrostruktur ausgebildet werden. Beispielsweise kann die Kontaktoberfläche zunächst mit dem Hilfsstoff beschichtet, also komplett überzogen werden, was die Applikation des Hilfsstoffes erleichtert. Beim Ausbilden der Mikrostruktur wird der Hilfsstoff dann an die Stellen gebracht, an welcher später die Kavernen entstehen, an welcher er also in der Mikrostruktur eingeschlossen wird. Dazu wird die Kontaktoberfläche durch Laserstrahlung behandelt.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Hilfsstoff beim Ausbilden der Mikrostruktur in die Mikrostruktur eingeschlossen werden. Gemäß dieser Ausführungsform laufen die Schritte des Ausbildens der Mikrostruktur und des Einschließens des Hilfsstoffes in die Mikrostruktur, also in die Kaverne der Mikrostruktur, in einem Schritt ab, was das erfindungsgemäß Verfahren beschleunigt.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird diese anhand der in den nachfolgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen und gleichen Bauteilbezeichnungen versehen. Weiterhin können auch einige Merkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsformen für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen. Es zeigen:

1 eine schematische Schnittdarstellung des Zusammensteckens eines Kontaktelements mit einem Gegenkontaktelement
2 schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Kontaktelements
3a schematische Draufsicht auf das erfindungsgemäße Kontaktelement
3b schematische Draufsicht auf das erfindungsgemäße Kontaktelement mit R
4a schematische Darstellung der Oberseite des erfindungsgemäßen Kontaktelements
4b schematische Darstellung der Seite des erfindungsgemäßen Kontaktelements
5 vergrößerte schematische Darstellung der Seite des erfindungsgemäßen Kontaktelements
6a schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Oberseite des erfindungsgemäßen Kontaktelements
6b schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Seite des erfindungsgemäßen Kontaktelements
7a schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Oberseite des erfindungsgemäßen Kontaktelements
7b schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Oberseite des erfindungsgemäßen Kontaktelements
7c schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Seite des erfindungsgemäßen Kontaktelements
8 schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Seite des erfindungsgemäßen Kontaktelements
9 schematische Darstellung der Oberflächenbehandlung der Kontaktoberfläche mittels Laser gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren
10 schematische Schnittdarstellung der Kontaktoberfläche nach der Laserbehandlung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
11 schematische Darstellung der Laserbehandlung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
12 schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kontaktelements
13 schematische Darstellung der Laserbehandlung der weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kontaktelements

1 zeigt schematisch das Zusammenstecken von einem Kontaktelement 1 eines Steckverbinders 3 mit einem Gegenkontaktelement 39 eines Gegensteckverbinders 37. Während des Zusammensteckens bewegt sich das Kontaktelement 1 relativ zum Gegenkontaktelement 39 entlang einer relativen Steckrichtung 43. Ein Kontaktbereich 8 des Kontaktelements 1 wird durch das Einstecken des Steckverbinders in den Gegensteckverbinder 37 in Kontakt mit einem Gegenkontaktbereich 41 des Gegenkontaktelements 39 gebracht. Dabei werden die elastisch deformierbaren Federkontakte 47 des Gegenkontaktbereichs 41 so weit auseinander gedrückt, dass das Kontaktelement 1 kraftschlüssig zwischen den Federkontakten 47 gehalten wird. Wegen der durch die Federkontakte 47 auf eine Kontaktoberfläche 5 des Kontaktbereichs 8 ausgeübten Anpresskraft wirken zwischen Kontaktoberfläche 5 und den Federkontakten 47 Reibungskräfte, die während des Zusammensteckens des Steckverbinders 3 mit dem Gegensteckverbinder 37 überwunden werden müssen. Die Kraft, die benötigt wird, um die Reibungskräfte zu überwinden, die sogenannte Steckkraft, soll vorteilhafterweise durch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung des Kontaktelements 1 des Steckverbinders 3 minimiert werden.
In den 2, 3a und 3b ist ein erfindungsgemäßes Kontaktelement 1 eines Steckverbinder 3 aus unterschiedlichen Perspektiven gezeigt. 2 zeigt eine Seitenansicht des Kontaktelements 1, welches einen Verbindungsbereich 6 zur Befestigung benötigter Kabel und einen Kontaktbereich 8 zum Herstellen einer elektrischen Verbindung mit dem Gegenkontaktelement 39 aufweist. Der Kontaktbereich 8 umfasst einen Hauptbereich 2 und einen Endbereich 4. Der Endbereich 4 ist der Teil des Kontaktelementes 1 welches zuerst beim Zusammenstecken zuerst in Kontakt mit dem Gegenkontaktelement 39 kommt und beträgt in der dargestellten Ausführungsform beispielhaft 1 mm. Beim Aufeinandertreffen des Endbereichs 4 mit den Federkontakten 47 des Gegenkontaktbereichs 41 muss eine erste Steckkraft überwunden werden, um die Federkontakte 47 auseinander zu drücken. Erst nach einem ersten Auseinanderdrücken der Federkontakte 47 kommt der Hauptbereich 2 in Kontakt mit den Federkontakten 47. Dabei werden die Federkontakte 47 durch den Hauptbereich 2 weiterhin auseinandergedrückt, bis die gewünschte Steckposition erreicht ist. Folglich ist klar, dass die höchste Steckkraft beim Kontakt des Endbereichs 4 mit den Federkontakten 47 überwunden werden muss.
3 a zeigt eine Draufsicht auf das Kontaktelement 1 mit dem Endbereich 4. Wie durch die 2 und 3 a ersichtlich erstreckt sich das Kontaktelement 1 in seiner Länge in die x- Richtung entlang einer Längsachse L. Der Kontaktbereich 8 umfasst bevorzugt vier Seitenflächen. Eine Oberseite 50, die in der Draufsicht in 3 sichtbar ist, erstreckt sich in der x-y Ebene. Parallel dazu ist die Unterseite 51 des Kontaktbereichs 8 angeordnet ( 2). Quer zu der Ober- und der Unterseite 50, 51 befinden sich eine erste Seite 52 und eine zweite Seite 53, jeweils in der x-z Ebene. Der elektrische Kontakt zwischen dem Kontaktelement 1 und dem Gegenkontaktelement 39 wird über eine Kontaktoberfläche 5 am Kontaktbereich 8 hergestellt. Die Kontaktoberfläche 5 kann an beliebig vielen Seiten 50, 51, 52, 53 des Kontaktbereichs 8 angeordnet sein, wobei sie vorteilhafterweise an mindestens einer Seitenfläche des Hauptbereichs 2 und an mindestens einer Seitenfläche des Endbereichs 4 angeordnet ist. Ausschließlich die Kontaktoberfläche 5 des Endbereichs 4 weist abschnittsweise eine Oberflächentextur 31 auf und unter der Kontaktoberfläche 5 im Bereich der Oberflächentextur 31 sind mit einem Hilfsstoff 9 gefüllte Kavernen 7 angeordnet. Die Kavernen 7 sind in einer Mikrostruktur 11 unter der Kontaktoberfläche 5 angeordnet. In der dargestellten Ausführungsform ist sich die Kontaktoberfläche 5 auf der Oberseite 50 angeordnet, welche sich in der x-y Ebene erstreckt. Dabei weisen die Ober- und die Unterseite 50, 51 beispielhaft eine größere Fläche als die erste und zweite Seite 52, 53 auf.
Durch die Anordnung der Mikrostruktur und der Oberflächentextur ausschließlich im Endbereich 4 des Kontaktbereichs 8 wird vorteilhafterweise die Steckkraft minimiert bei trotzdem gleichbleibender elektrischer Performanz. Der ausgetretene Hilfsstoff wird beim Zusammenstecken auf der Oberfläche des Endbereichs verteilt, wodurch eine geringere Steckkraft benötigt wird, um die beiden Steckverbinder 3, 37 zusammenzustecken. Gleichzeitig wird verhindert, dass übermäßiger Hilfsstoff auf die Kontaktoberfläche 5 des Hauptbereichs 2 gelangt. An dieser Stelle findet der elektrische Kontakt zwischen dem Kontaktelement 1 und dem Gegenkontaktelement 39 statt. Somit wird die elektrische Kontaktierung und eine stabile elektrische Verbindung nicht durch überschüssigen Hilfsstoff auf der Kontaktoberfläche 5 des Hauptbereichs 2 beeinflusst.
3 b zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform des Kontaktbereichs 8 des Kontaktelements 1. Vorteilhafterweise kann zwischen dem Endbereich 4 und dem Hauptbereich 2 ein Zwischenabschnitt 10 angeordnet sein. Der Zwischenabschnitt 10 besteht in dieser vorteilhaften Ausführungsform aus einem elektrisch leitenden Material. Bevorzugt besteht der Zwischenabschnitt 10 aus demselben Material wie der Hauptabschnitt 2. Der Endbereich 4 besteht vorteilhafterweise aus einem nichtleitenden Material wie Kunststoff. Allerdings ist es auch möglich, dass der Endbereich 4 ebenfalls aus einem elektrisch leitenden Material besteht. In dieser Ausführungsform ist die Kontaktoberfläche 5 bevorzugt an mindestens einer Seitenfläche des Endbereichs 4, an mindestens einer Seitenfläche des Zwischenabschnitts 10 und an mindestens einer Seitenfläche des Hauptbereichs 2 angeordnet. Die Kontaktoberfläche 5 des Endbereichs 4 und die Kontaktoberfläche 5 des Zwischenabschnitts 10 weisen abschnittsweise die Oberflächentextur 31 auf und unter der Kontaktoberfläche 5 im Bereich der Oberflächentextur 31 sind mit einem Hilfsstoff 9 gefüllte Kavernen 7 angeordnet. Die Kavernen 7 sind in einer Mikrostruktur 11 unter der Kontaktoberfläche 5 angeordnet. Diese Ausführungsform wird besonders bei Hochstromverbindern, wie sie beispielsweise für die Elektromobilität genutzt werden, bei denen die Steckkraftreduktion von besonderer Bedeutung ist, angewendet. Die weiteren vorteilhaft erwähnten Merkmale des Kontaktelements sind natürlich auch für diese Ausführungsform anwendbar.
Vorteilhafterweise, kann wenn der Endbereich 4 aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material mit niedriger Schmelztemperatur bzw. Erweichungstemperatur von z.B. 100 bis 400°C, wie beispielsweise aus Kunststoff, gefertigt, die elektrisch leitfähige Beschichtung 25 nicht vorgesehen sein, denn das Basismaterial 13 kann so umgeformt werden, dass es Kavernen 7 mit Hilfsstoff 9 ausbildet. Allerdings kann auf den Endbereich 4 eine elektrisch nicht leitfähige Beschichtung 25 aufgebracht sein, die vorteilhaft für die Ausformung der Kavernen 7 mit Einschluss des Hilfsstoffs 9 ist.
Die 4 - 8 zeigen verschiedene vorteilhafte Ausführungsformen des Kontaktbereichs 8 des Kontaktelements 1. Die Orientierung des Kontaktbereichs 8 ist jeweils über die danebenstehenden Koordinatensysteme definiert. 4 a zeigt eine Draufsicht auf die Oberseite 50 des Kontaktbereichs 8 und 4 b eine Draufsicht auf die erste Seite 52 des Kontaktbereichs 8. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Kontaktbereichs 8 sind beispielhaft die Ober- und die Unterseite 50, 51 des Kontaktbereichs 8 texturiert und weisen die Mikrostruktur 11 auf.
Zusätzlich verjüngen sich beispielhaft die Seitenflächen des Endbereichs 4 in Steckrichtung des Kontaktelements 1 entlang der Längsachse L. Die Unterseite 51 und die zweite Seite 53 des Kontaktbereichs 8, stimmen in ihrer Form mit der Oberseite 50 und der ersten Seite 52 überein. In den gezeigten 4 a und 4 b weist der Kontaktbereich 8 eine flächenmäßig größere Oberseite 50 als erste Seite 52 auf. Die Endbereiche der dargestellten Oberseite 50 und ersten Seite 52 weisen jeweils eine unterschiedliche Form auf. Beide Formen stellen erfindungsgemäße Ausführungsformen des Endbereichs dar, an welchen jeweils die Kontaktoberfläche 5 angeordnet sein kann. In diesem Fall wird eine Steckkraftreduzierung sowohl durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Kantenkontur 30 als auch durch vorteilhafte Ausgestaltung der Ober- und die Unterseite 50, 51 des Endbereichs 4 mit Texturierung und Mikrostruktur erreicht.
Das Verjüngen der Seitenflächen entlang der Längsachse L ist im Detail in 5 beispielhaft für die erste Seite 52 gezeigt. Die erste Seite 52 weist eine obere und eine untere Kantenkontur 30 auf, wobei die Begriffe „oben“ und „unten“ bezogen auf die Längsachse L entlang der z-Achse definiert sind. Die beiden Kantenkonturen 30 laufen jeweils derart zusammen, dass jede Kantenkontur 30 zumindest abschnittsweise dem Verlauf eines kubischen Funktionsgraphen folgt. Der Verlauf des kubischen Funktionsgraphen ist dabei abhängig vom Verlauf der Längsachse L. Somit folgt beispielsweise die obere Kantenkontur 30 entlang der Längsachse L einem kubischen Funktionsgraphen. Das gleiche gilt für die untere Kantenkontur 30.
Des Weiteren folgt beispielhaft der Verlauf des kubischen Funktionsgraphen der oberen und unteren Kantenkontur 30 der in 5 dargestellten ersten Seite 52 der Gleichung $y = {(1 - {(x - x_{o})}^{3})}^{*} \frac{d}{2},$
mit x₀ = Gesamtlänge des Hauptbereichs 2, d = Nenndicke des Hauptbereichs 2 und wobei x dem Verlauf der Längsachse L folgt. Dabei bezieht sich die Länge x₀ auf den Koordinatenursprung. Von der x₀ Koordinate aus folgen die Kantenkonturen 30 jeweils vorteilhafterweise dem Verlauf Gleichung (1). Diese vorteilhafte Form der beiden Kantenkonturen des Endbereichs minimiert die benötigte Steckkraft beim Zusammenstecken des Steckverbinders 3 mit einem Gegensteckverbinder 37. Es ist jedoch klar, dass die beiden Kantenkonturen auch von der oben genannten Gleichung (1) abweichen können und trotzdem eine verringerte Steckkraft erzielt werden kann. Außerdem ist klar verständlich, dass die im Detail beschriebene Ausführungsform der ersten Seite 52 auch für die zweite Seite 53 gilt.
Es ist jedoch klar verständlich, dass es in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform auch möglich ist, dass die Seitenflächen des Endbereichs 4, die die Kantenkonturen aufweisen, welche der Gleichung (1) folgen, texturiert sind und die Mikrostruktur 11 aufweisen. Folglich kann jede beliebige Seitenfläche diese vorteilhaften Merkmale in Kombination oder einzeln aufweisen.
Beispielhaft weisen die Ober- und Unterseite 50, 51 in dieser Ausführungsform eine Breite b₁ von 1.2 mm auf, und die erste und zweite Seite 52, 53 eine Breite b₂ von 0.6 mm. Die Ausführungsform ist allerdings nicht auf diese Größe beschränkt, sondern beliebige Steckerbreiten je nach Anwendungsgebiet sind realisierbar. Vorteilhafterweise liegt die Steckerbreite b₁ in einem Bereich von 0.3 mm bis 12 mm und die Steckerbreite b₂ in einem Bereich von 0.3 mm bis 2 mm
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Kontaktbereichs 8 ist in 6 gezeigt. 6 a zeigt eine Draufsicht auf die Oberseite 50 des Kontaktbereichs 8 und 6 b eine Draufsicht auf die erste Seite 52 des Kontaktbereichs 8. In dieser Ausführungsform entsprechen alle Seitenflächen 50, 51, 52, 53 der Gleichung (1). Insbesondere weist der Kontaktbereich 8 in dieser vorteilhaften Ausführungsform an allen Seitenflächen 50, 51, 52, 53 des Endbereichs eine Kontaktoberfläche 5 auf, welche eine Oberflächentextur aufweist und unter welcher mit Hilfsstoff gefüllte Kavernen angeordnet sind. Diese Ausführungsform findet besonders Anwendung bei quadratischen Steckern, bei denen an allen vier Seitenflächen 50, 51, 52, 53 eine Kontaktoberfläche angeordnet ist. Beispielhaft ist die Breite b₂ des Kontaktbereichs 8 sowohl für die Ober- und Unterseite 50, 51, also auch für die erste und zweite Seite 52, 53 0.63 mm. Allerdings, ist ersichtlich, dass auch andere Maße für die Seitenflächen im Sinne dieser Ausführungsform liegen.
Es ist klar, dass gezeigte Ausführungsformen der Oberseite 50 und der ersten Seite 52 dementsprechend auch für die Unterseite 51 und die zweite Seite 53 gelten.
7 zeigt weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Oberseite 50 und der ersten Seite 52 des Kontaktbereichs 8. 7 a und b zeigen zwei vorteilhafte Ausführungsformen der Oberseite 50 des Kontaktbereichs 8. Der jeweilige Endbereich 4 ist unterschiedlich ausgebildet. 7 c zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der ersten Seite 52 des Kontaktbereichs 8. Die erste Seite 52 weist eine größere Oberfläche auf, als die Ausführungsform, die in 6 b dargestellt ist. Beispielhaft haben die Seitenfläche 52, 53 eine Breite b₃ von 0.8 mm.
8 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsformen der ersten Seite 52 des Kontaktbereichs 8, bei der angedeutet ist, dass der Endbereich 4 abgeschnitten ist. Eine Schnittlinie S in 8 deutet an, dass die Spitze des Endbereichs 4 abgeschnitten sein kann, ohne, dass der Steckverbinder vom Umfang der Erfindung abweicht und dass trotzdem die positiv genannten Effekte der Erfindung erzielt werden.
Die unterschiedlichen Ausführungsformen werden für unterschiedliche Steckverbindertypen mit unterschiedlichen Kontaktbereichen verwendet. Es soll veranschaulicht werden, dass das erfindungsgemäß Kontaktelement und das erfindungsgemäße Verfahren für eine Vielzahl von unterschiedlichen Steckertypen anwendbar ist und somit nicht beschränkt ist, auf eine bestimmte Art von Steckern.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Einschließen eines Hilfsstoffes 9 unter der Kontaktoberfläche 5 des Endbereichs 4 des Kontaktbereichs 8 des Kontaktelementes 1 ist nachfolgend erläutert. Es ist klar, dass das nachfolgend beschriebene Verfahren auch zum Einschließen von Hilfsstoff bei Kontaktelementen mit Endbereich 4 und Zwischenabschnitt 10 anwendbar ist.
9 a zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Einschließen des Hilfsstoffes 9 unter der Kontaktoberfläche 5. Ausgangsmaterial des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Kontaktbereich 8 eines Kontaktelements 1 eines Steckverbinders 3, wobei der Kontaktbereich 8 einen Hauptbereich 2, einen Endbereich 4, und eine Kontaktoberfläche 5 zum mechanischen und elektrischen Kontaktieren mit einem Gegenkontaktelement 39 eines Gegensteckverbinders 37 umfasst. Der Hauptbereich 2 ist elektrisch leitend und besteht aus einem Basismaterial 13. Das Basismaterial 13 kann beispielsweise Kupfer oder eine Kupferlegierung sein. Außerdem kann beispielsweise, wie in 9 a gezeigt, auf einer Oberfläche des Basismaterials 13 eine Beschichtung 25 aufgebracht worden sein. Die Beschichtung 25 kann beispielsweise Zinn, Nickel, Silber oder Legierungen von Zinn, Nickel, Silber und/oder anderen Elementen aufweisen. Die Beschichtung 25 kann beispielsweise durch Feuerverzinnen oder galvanische Beschichtung auf das Basismaterial 13 aufgebracht worden sein, wobei weitere Zwischenschichten möglich sind. Eine dem Basismaterial abgewandte Oberfläche der Beschichtung 25 bildet die Kontaktoberfläche 5. Auch der Endbereich 4 kann elektrisch leitend sein und es gilt das gleiche wie für den Hauptbereich 2. Ist der Endbereich 4 aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material mit niedriger Schmelztemperatur bzw. Erweichungstemperatur von z.B. 100 bis 400°C, beispielsweise aus Kunststoff, gefertigt, so ist eine elektrisch leitfähige Beschichtung 25 vorteilhafterweise nicht vorgesehen, denn das Basismaterial 13 kann so umgeformt werden, dass es Kavernen 7 mit Hilfsstoff 9 ausbildet.
Allerdings kann auf den Endbereich 4 eine elektrisch nicht leitfähige Beschichtung 25 aufgebracht sein, die vorteilhaft für die Ausformung der Kavernen 7 mit Einschluss des Hilfsstoffs 9 ist.
Zunächst wird der Hilfsstoff 9 auf die Kontaktoberfläche 5 aufgebracht. Beispielsweise kann die Kontaktoberfläche 5 komplett mit dem Hilfsstoff 9 beschichtet werden, wie in 9 a beispielsweise dargestellt. Der Hilfsstoff 9 kann beispielsweise Öl, Fett, eine Paste oder ein Festkörperschmierstoff wie Graphit, CNT, MoS₂, AgS₂ oder deren Mischungen aufweisen.
Nachdem der Hilfsstoff 9 auf die Kontaktoberfläche 5 aufgebracht wurde, wird anschließend die Mikrostruktur 11 ausgebildet. In dem beispielhaft gezeigten Verfahren wird der Hilfsstoff 9 beim Ausbilden der Mikrostruktur 11 in die Mikrostruktur 11 eingeschlossen. Dazu wird die Kontaktoberfläche mit einem Interferenzmuster 27 durch Laserstrahlung 29, 29' behandelt. Vorteilhafterweise können durch die Benutzung eines Lasers sehr große Kontaktoberflächen innerhalb kürzester Zeit mikrostrukturiert werden
In der gezeigten Ausführungsform besteht die Mikrostruktur 11 beispielsweise aus sich miteinander periodisch abwechselnden Erhebungen 15 und Vertiefungen 17. Die Vertiefungen 17 bilden dabei Gräben, die Erhebungen dazwischenliegende Wälle. Auf diese Weise ergibt sich eine regelmäßige periodische Streifenstruktur als Mikrostruktur 11 mit einer Periodenlänge p.
Bei einer Laserinterferenztexturierung produzieren zwei oder mehrere sich überlagernde, vorzugsweise kohärente oder linear polarisierte Laserstrahlen 29, 29' ein gezielt einstellbares Interferenzmuster 27. Voraussetzung dafür ist die räumliche und zeitliche Kohärenz der Laserstrahlung 29, 29'. Die räumliche Kohärenz kann durch Interaktion mit der Umgebung oder den optischen Elementen der Apparatur zur Erzeugung der Interferenzstrahlung beeinträchtigt werden. Die zeitliche Kohärenz hängt von der spektralen Bandbreite λ der Laserstrahlung 29, 29' ab. Übliche Kohärenzlängen der spektralen Bandbreite liegen im Bereich von 266 bis 1064 nm.
Durch die Wahl der Laserstrahlung und die Anzahl sowie Ausrichtung der Laserstrahlung zueinander können somit verschiedene Interferenzmuster 27, beispielsweise Linienmuster, Punktmuster, Wabenmuster, Kreuzmuster etc. erzeugt werden. Das Interferenzmuster 27 gibt die Mikrostruktur 11 sowie die Oberflächentexturen 31 der Kontaktoberfläche 5 des Endbereichs 4 vor.
Wird die Kontaktoberfläche 5 des Endbereichs 4 mit einem Interferenzmuster 27 aus Laserstrahlung 29 und 29' behandelt, produzieren zwei oder mehr sich überlagernde, kohärente und linear polarisierende Laserstrahlen 29 und 29' ein gezielt einstellbares Interferenzmuster 27. Innerhalb des Interferenzmusters 27 verteilt sich die Intensität der Laserstrahlung. Bei positiver Interferenz (+) verstärkt sie sich und führt zu besonders heißen Bereichen, an welchen die Kontaktoberfläche 5 des Endbereichs 4 aufschmilzt. Im Intensitätsminimum bei negativer Interferenz (-) hingegen ist die Kontaktoberfläche 5 des Endbereichs 4 sehr viel kälter, so dass die Kontaktoberfläche 5 des Endbereichs 4 nicht aufschmilzt bzw. an dieser Stelle befindlicher Hilfsstoff 9 vorhanden bleibt, während er in Regionen positiver Interferenz verdampft. Zudem kommt es aufgrund der hohen Temperaturgradienten zwischen Minimaltemperatur (im Bereich negativer Interferenz) und Maximaltemperatur (im Bereich positiver Interferenz) zur Konvektion schmelzflüssigen Materials der Kontaktoberfläche 5 des Endbereichs 4 und der Entstehung einer Textur 31. Die Textur 31 entsteht dadurch, dass Material der Kontaktoberfläche 5 des Endbereichs 4 aus Bereichen eines Temperaturmaximums gerichtet zu Bereichen eines Temperaturminimums transportiert wird.
Bestrahlt man die Kontaktoberfläche 5 des Endbereichs 4 eines elektrisch leitenden Kontaktbereiches 8, auf der eine Schicht eines Hilfsstoffes 9 aufgebracht wurde, mit einem Interferenzmuster 27 aus Laserstrahlung 29 und 29' (9 a), passiert Folgendes: Im Bereich positiver Interferenz (+) verdampft und verflüchtigt sich der Hilfsstoff 9, während er im Bereich negativer Interferenz (-) auf der Kontaktoberfläche 5 des Endbereichs 4 verbleibt. Ferner schmilzt das Material der Kontaktoberfläche 5 des Endbereichs 4 in Bereiche positiver Interferenz und schwappt gerichtet in die Bereiche negativer Interferenz, wo es, Erhebungen 15 bildend, den dort verbleibenden Hilfsstoff 9 überdeckt. Auf diese Weise kann die Kontaktoberfläche 5 des Endbereichs 4 wie in 9 b und 9 c gezeigt, ausgebildet werden, die eine Noppenstruktur 33 aufweist, wobei jede Noppe 33 eine mit Hilfsmittel gefüllte Kavität 7 aufweist.
Bei der Interferenztexturierung wird somit der Hilfsstoff 9 beim Ausbilden der Mikrostruktur 11 in die Mikrostruktur 11 eingeschlossen. Gleichzeitig findet eine Texturierung 31 der Kontaktoberfläche 5 des Endbereichs 4 statt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Oberflächentextur 31 durch eine Noppenstruktur 33 mit regelmäßig angeordneten Noppen 35 und dazwischenliegenden Vertiefungen 17 gebildet. In dem gezeigten Ausführungsbespiel kongruiert die Oberflächentextur 31, also die Noppenstruktur 33 mit der Mikrostruktur 11 der Kavernen 7, die mit Hilfsstoffen 9 gefüllt sind. Dabei erhebt sich die Oberflächentextur 31 über einer Kaverne 7 der Mikrostruktur 11. In dem gezeigten Beispiel ist in jeder Noppe 35 eine Kaverne 7, die mit Hilfsstoffen 9 gefüllt ist, angeordnet.
In 10 werden in schematisierter und teilweise geschnittener Darstellung Teile eines erfindungsgemäßen Kontaktelements 1 mit einem elektrisch leitenden Kontaktbereich 8 beim Zusammenstecken mit einem Gegenkontaktelement 39 gezeigt.
Der Kontaktbereich 8 ist beispielsweise als Kontaktstift ausgebildet und geschnitten dargestellt. Der Kontaktbereich 8 ist elektrisch leitend und besteht aus einem Basismaterial 13, beispielsweise aus Kupfer oder Kupferlegierung. Der Kontaktbereich 8 weist eine Kontaktoberfläche 5 auf. Mit einem Hilfsstoff 9 gefüllte Kavernen 7 sind in einer Mikrostruktur 11 unter der Kontaktoberfläche 5 angeordnet. Die Kontaktoberfläche 5 in der gezeigten Ausführungsform weist eine Oberflächentextur 31 aus, die aus periodisch sich abwechselnden Erhebungen 15 und Vertiefungen 17 besteht. In jeder Erhebung 15 ist eine mit Hilfsstoff 9 gefüllte Kaverne 7 der Mikrostruktur 11 angeordnet. Die Oberflächentextur 31 und die Mikrostruktur 11 des Kontaktbereichs 8 der 10 entspricht somit im Wesentlichen denen der 9, mit Ausnahme, dass die Beschichtung 25 weggelassen und der Hilfsstoff 9 direkt auf das Basismaterial 13 appliziert wurde.
Weiter zeigt 10 einen Teil eines Gegenkontaktelements 39 eines Gegensteckverbinders 37. Der Gegensteckverbinder 37 ist dazu vorgesehen, mit dem Steckverbinder 3 zusammengesteckt zu werden. Das Gegenkontaktelement 39 weist einen Gegenkontaktbereich 41 auf, der beim Zusammenstecken des Steckverbinders 3 mit dem Gegensteckverbinder 37 in Kontakt mit dem Kontaktbereich 8 des Kontaktelements 1 kommt. Der Gegenkontaktbereich 41 ist als elastisch deformierbarer Federkontakt ausgebildet.
Werden der Steckverbinder 3 und der Gegensteckverbinder 37, wie in 10 dargestellt, zusammengesteckt, berührt eine weitere Kontaktoberfläche des Gegenkontaktbereichs 41 die Kontaktfläche 5 des Kontaktbereichs 8, um eine elektrisch leitende Verbindung herzustellen. Während des Zusammensteckens des Steckverbinders 3 mit dem Gegensteckverbinder 37 bewegt sich das Kontaktelement 1 relativ zum Gegenkontaktelement 39 entlang einer relativen Steckrichtung 43.
Wegen der durch den Gegenkontaktbereich 41 des Gegenkontaktelements 39 auf den Kontaktbereichs 8 des Kontaktelements 1 ausgeübten Anpresskraft wirken zwischen der Kontaktoberfläche 5 und der weiteren Kontaktoberfläche des Gegenkontaktbereichs 41 Reibungskräfte, die während des Zusammensteckens des Steckverbinders 3 mit dem Gegensteckverbinder 37 überwunden werden müssen. Um diese Kräfte zu reduzieren, ist die Kontaktoberfläche 5 mit einer Oberflächentextur 31 versehen. Darüber hinaus wird während des Zusammensteckens die Oberflächentextur 31 und die Mikrostruktur 11 des Endbereichs 4 des Kontaktbereichs 8 teilweise aufgebrochen. Durch die Reibkräfte werden Zugänge zu den vorher unter der Kontaktoberfläche 5 liegenden geschlossenen Kavernen 7 geschaffen. Die Kavernen 7 öffnen sich zur Kontaktoberfläche 5. Der Hilfsstoff 9 kann aus der Kaverne 7 austreten und auf der Kontaktoberfläche 5 einen Film 45 aus Hilfsstoff 9 bilden, der den erwünschten positiven Effekt, beispielsweise eine Reibungsverminderung, einen Korrosionsschutz ausbildet.
11 zeigt schematisch die Position und Orientierung des Lasers bezüglich des Kontaktelements 1 bei der Laserinterferenztexturierung. Eine Vielzahl von Kontaktelementen 1 sind beispielhaft dicht nebeneinander angeordnet. Dabei zeigt die Figur beispielhaft eine Draufsicht auf die Vielzahl von Kontaktelementen 1. Eine solche Anordnung von Kontaktelementen 1 einseitig befestigt an Trägerschienen wird verwendet, um automatisiert möglichst schnell und effizient eine Vielzahl von Kontaktelementen mittels Laser behandeln zu können. Dabei kann der Abstand a zwischen zweier benachbarter Kontaktelementen 1 beispielhaft 1.2 mm sein.
Folglich ist klar, dass bei einer solchen Anordnung eine Laserbehandlung des Hauptbereichs 2 des Kontaktbereichs 8 nur beschränkt möglich ist. Nur eine dem Laser zugewandte Seite kann mittels Laserstrahlung behandelt werden. Demnach ist es nahezu unmöglich die einem benachbarten Kontaktelement 1 zugewandte Seite des Hauptbereichs 2 zu behandeln.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird vorteilhafterweise nur der Endbereich 4 des Kontaktbereichs 8 mittels Laserstrahlung behandelt. Somit können durch das erfindungsgemäße Verfahren an einer Trägerschiene eng angeordnete Kontaktelemente 1 einfach und kostengünstig mittels Laserstrahlung behandelt werden.
Dabei trifft die Laserstrahlung, wie in 11 gezeigt, quer zur Kontaktfläche 5 des Endbereichs 4 auf. Dadurch wird eine gleichmäßige Oberflächenbehandlung in der gewünschten Fläche erzielt. Allerdings treffen die Laserstrahlen nicht senkrecht zu einer Längsachse L des Kontaktelements 3 auf. Diese Achse erstreckt sich entlang der gesamten Länge des Kontaktelements. Insbesondere liegt ein Winkel β, zwischen der Längsachse L des zu behandelnden Kontaktelements 1 und der Laserstrahlung in einem Bereich von 0° < β < 90°.
12 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Kontaktelements 1. In dieser Ausführungsform weist der Kontaktbereich 8 flächenmäßig größere Seiten 52, 53 als Ober- und Unterseiten 50, 51 auf. Die linke und die rechte Seite 52, 53 erstrecken sich auch in dieser Ausführungsform in der x-z Ebene, und die Ober- und Unterseite 50, 51 erstrecken sich in der x-y Ebene. Beispielhaft ist hier die zu texturierende Fläche des Endbereichs 4 des Kontaktebereichs 8 an den Seiten 52, 53 angeordnet.
Wie in 13 gezeigt, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die Oberflächenbehandlung mittels Laserstrahlen 29, 29' bei Kontaktelementen 1, die an einer Trägerschiene 49 angebracht sind und deren Seitenflächen 52, 53 behandelt werden sollen. Wie zuvor erwähnt, ist der Abstand a zwischen zwei auf der Trägerschiene 49 benachbart angeordneter Kontaktelementen 1 zu gering, um die gesamten Seitenflächen zu texturieren.
Bezugszeichenliste:

1: Kontaktelement
2: Hauptbereich
3: Steckverbinder
4: Endbereich
5: Kontaktoberfläche
6: Verbindungsbereich
7: Kaverne
8: Kontaktbereich
9: Hilfsstoff
10: Zwischenabschnitt
11: Mikrostruktur
13: Basismaterial
15: Erhebung
17: Vertiefung
19: homogenes Muster
25: Beschichtung
27: Interferenzmuster
29, 29': Laserstrahlung
30: Kantenkontur
31: Oberflächentextur
33: Noppenstruktur
35: Noppe
37: Gegensteckverbinder
39: Gegenkontaktelement
41: Gegenkontaktbereich
43: Steckrichtung
45: Film aus Hilfsstoff
47: Federkontakte
49: Trägerschiene
50: Oberseite
51: Unterseite
52: Erste Seite
53: Zweite Seite
L: Längsachse
S: Schnittlinie
p: Periodenlänge
λ: spektrale Bandbreite Laserstrahlung
a: Abstand der Steckverbinder auf einer Trägerschiene
+: positive Interferenz
-: negative Interferenz
α: Winkel
β: Winkel

Claims

Elektrisch leitendes Kontaktelement (1) für einen elektrischen Steckverbinder (3) aufweisend: einen Verbindungsbereich (6) und einen Kontaktbereich (8); wobei der Kontaktbereich (8) einen Hauptbereich (2), einen Endbereich (4), und eine Kontaktoberfläche (5) zum elektrischen Kontaktieren mit einem Gegenkontaktelement (39) eines Gegensteckverbinders (37) umfasst; wobei die Kontaktoberfläche (5) an mindestens einer Seitenfläche (50, 51, 52, 53) des Hauptbereichs (2) und an mindestens einer Seitenfläche (50, 51, 52, 53) des Endbereichs (4) angeordnet ist und wobei ausschließlich unter der Kontaktoberfläche (5) des Endbereichs (4) in einer Mikrostruktur (11) mit einem Hilfsstoff (9) gefüllte Kavernen (7) angeordnet sind; und wobei die Kontaktoberfläche (5) abschnittsweise im Bereich der Mikrostruktur (11) eine Oberflächentextur (31) aufweist.
Elektrisch leitendes Kontaktelement (1) gemäß Anspruch 1, wobei die Oberflächentextur (31) Erhebungen (15) und Vertiefungen (17) umfasst.
Elektrisch leitendes Kontaktelement (1) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Oberflächentextur (31) ein vorgegebenes Muster aus geometrischen Elementen aufweist.
Elektrisch leitendes Kontaktelement (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Mikrostruktur (11) eine zumindest abschnittsweise periodische Struktur bildet.
Elektrisch leitendes Kontaktelement (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei sich ein geometrisches Element der Oberflächentextur (31) jeweils über einer Kaverne (7) der Mikrostruktur (11) erhebt.
Elektrisch leitendes Kontaktelement (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei mindestens zwei Seitenflächen (50, 51, 52, 53) des Endbereichs (4) des Kontaktbereichs (8) sich in Steckrichtung (43) des Kontaktelements (1) entlang einer Längsachse (L) verjüngen.
Elektrisch leitendes Kontaktelement (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die mindestens zwei sich verjüngenden Seitenflächen (50, 51, 52, 53) des Endbereichs (4) jeweils zwei zusammenlaufende Kantenkonturen (30) aufweisen, die jeweils derart zusammenlaufen, dass jede Kantenkontur (30) zumindest abschnittsweise dem Verlauf eines kubischen Funktionsgraphen folgt, wobei der Verlauf des kubischen Funktionsgraphen abhängig vom Verlauf der Längsachse (L) ist.
Elektrisch leitendes Kontaktelement (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der kubische Funktionsgraph der Gleichung $y = {(1 - {(x - x_{o})}^{3})}^{*} \frac{d}{2}$
mit x₀ = Gesamtlänge des Hauptbereichs (2) und d = Nenndicke des Hauptbereichs (2) und wobei x dem Verlauf der Längsachse L folgt.
Elektrisch leitendes Kontaktelement (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Hilfsstoff (9) ausgewählt ist aus einer Gruppe von Antioxidantien, Korrosionsschutzmitteln, Schmierstoffen und Säuren.
Elektrischer Steckverbinder (3), der ein elektrisches Kontaktelement (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 umfasst.
Verfahren zum Einschließen eines Hilfsstoffes (9) unter einer Kontaktoberfläche (5) eines Endbereichs (4) eines Kontaktbereichs (8) eines elektrisch leitenden Kontaktelementes (1) für einen elektrischen Steckverbinder (3), umfassend die Schritte: Aufbringen des Hilfsstoffes (9) auf die Kontaktoberfläche (5) des Endbereichs (4), Ausbilden einer Mikrostruktur (11) an der Kontaktoberfläche (5) des Endbereichs (4), abschließendes Einschließen des Hilfsstoffes (9) in Kavernen (7) der Mikrostruktur (11) unter der Kontaktoberfläche (5) des Endbereichs (4), wobei an der Kontaktoberfläche (5) des Endbereichs (4) eine Oberflächentextur (31) in Form eines vorgegebenen Musters aus geometrischen Elementen ausgebildet wird, und wobei die Kontaktoberfläche (5) des Endbereichs (4) mit Laserstrahlung (29, 29') behandelt wird, um die Mikrostruktur (11) auszubilden, und wobei die Laserstrahlung (29, 29') quer zur Kontaktoberfläche (5) des Endbereichs (4) auftrifft, wobei die Laserstrahlung (29, 29') nicht senkrecht zur Längsachse (L) des Steckverbinders (3) auftrifft.
Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei die Laserstrahlung (29, 29') unter einem Winkel β bezogen auf die Längsachse (L) des Kontaktelements (1) auf die Kontaktoberfläche (5) des Endbereichs (4) auftrifft, wobei der Winkel β in einem Bereich zwischen 0° < β < 90°liegt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei die Kontaktoberfläche (5) mit einem Interferenzmuster (27) aus Laserstrahlung (29, 29') behandelt wird, um die Mikrostruktur (11) auszubilden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei zunächst der Hilfsstoff (9) auf die Kontaktoberfläche (5) aufgebracht wird und anschließend die Mikrostruktur (11) ausgebildet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei der Hilfsstoff (9) beim Ausbilden der Mikrostruktur (11) unter der Kontaktoberfläche (5) in die Kavernen (7) der Mikrostruktur (11) eingeschlossen wird.